一種在波束傾斜跟蹤系統中調試耦合的新方法

王喜明

(中國電子科技集團集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

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一種在波束傾斜跟蹤系統中調試耦合的新方法

王喜明

(中國電子科技集團集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

摘要：針對在電子波束傾斜跟蹤系統中，接收機解調出的方位和俯仰誤差電壓存在耦合，在相互的交叉耦合比較大的情況下，既不利于天線跟蹤，也容易引起結構件的磨損，降低設備使用壽命，構建并提出了一種通過移相技術降低交叉耦合的方法。同時對電子波束傾斜原理以及實現的方法進行了簡要介紹，給出了電子波束傾斜以及基準的時序圖，最后給出了在單片機定時器里實現這種算法的程序，此方法在某C頻段跟蹤天線系統中成功運用。

關鍵詞：衛星通信；波束傾斜；接收機；相位；交叉耦合；跟蹤

0引言

在衛星通信系統中，有多種跟蹤體制[1]可以選用，常用的跟蹤體制有程序跟蹤、單脈沖跟蹤[2]、圓錐掃描跟蹤[3]、步進跟蹤和電子波束傾斜[4]跟蹤。每一種跟蹤方法，都有自己的特點。其中電子波束傾斜跟蹤方法使用電子開關技術有效的實現信標信號空間測量，由此可以確定跟蹤誤差，其跟蹤精度接近于單脈沖跟蹤體制[5]。本文簡單介紹一種電子波束傾斜技術的實現方法，以及通過單片機的定時器的延時功能調節接收機的誤差電壓耦合，這種方法可以把耦合調整到最佳狀態，使天線能夠精確的跟蹤目標。

1電子波束傾斜跟蹤原理

圖1給出了電子波束傾斜原理[5]。

圖1　波束傾斜原理圖

圖1中，AZ代表方位，EL代表俯仰，O點表示孔徑軸方向軌跡圓的中心軸，而位置1、2、3、4表示開啟4個波束傾斜器件而實現的波束傾斜位置，為了確定出衛星偏離天線孔徑軸的位置x(圖中的黑點),分別短路每個波束傾斜器件，這樣波束將分別指向等值曲線的1、2、3、4點。對于給定的位置X，在點1、3波束所接收到的信號比點2、4所接收的信號強，并且點1波束所接收到的信號要比點3波束所接收到的信號強，利用這些偏軸方向性能的數據，可計算出衛星方向的X值，這樣就可以對進行跟蹤的反饋環路提供一個誤差信號。點1、2代表俯仰方向，4、3代表方位方向，這樣把信號送給接收機，接收機就能解算一個方位誤差信號、一個俯仰誤差信號，誤差信號送給伺服系統，伺服系統就能驅動天線跟蹤目標衛星[6,7]。

2電子波束傾斜實現方法

饋源上面對稱放置4個矩形波導，每個波導端接以PIN二極管。4個PIN二極管的空間放置位置及順序如圖2所示。

圖2　PIN二極管空間布置圖

圖3　PIN電子傾斜時序以及基準示意圖

PIN二極管高電平導通，低電平截止。可以設計一個推挽電路，用單片機的I/O口高低電平，通過推挽電路去控制PIN二極管的導通與截止。PIN二極管順時針依次輪流導通，就可以實現波束傾斜。PIN二極管輪流導通的頻率是可以通過單片機控制的。這種4個PIN二極管輪流導通的波束傾斜技術，類似于圓錐掃描跟蹤方法。用單片機的4個IO口去控制PIN二極管的輪流導通，4個PIN二極管輪流導通時序圖如圖3所示。

3通過移相調節耦合的原理

饋源輸出的信號包絡中含有角誤差信息，包絡函數相對于波束掃描位置的相位含有方向信息[8]。一對相位檢波器利用從單片機送來的參考輸入完成角跟蹤誤差信號的檢測。這2個檢波器實際上是求點積的器件，他們的正弦波頻率是掃描的頻率，而相互之間有一定的相位關系，以至于從一個檢波器獲得俯仰角誤差，而從另外的檢波器獲得方位角誤差。在天線對準目標后，以A-E兩軸的天線為例來說，當天線方位偏離目標時(在波束范圍內)，方位誤差電壓明顯增大，俯仰誤差電壓很小；當天線俯仰軸偏離目標時(在波束范圍內)，天線方位不動，俯仰誤差電壓明顯增大，方位誤差電壓很小。這是比較理想的情況，這樣天線跟蹤比較平穩。如果天線方位偏離目標，俯仰不動，方位誤差電壓，俯仰誤差電壓都很大的情況，即方位和俯仰角跟蹤誤差相互偶合[9]，天線跟蹤目標時，天線晃動很厲害，不僅使機械結構磨損厲害，也使天線無法跟蹤目標。因此可以通過調節相位，使方位俯仰的誤差電壓耦合降到最小，這樣才能使天線平穩的跟蹤目標。

4移相的實現方法

由于接收機要解調出方位誤差電壓、俯仰誤差電壓，需要提供基準信號[10]。方位基準信號與俯仰基準信號相差90°[11]。圖3上半部分是提供基準的示意圖，可以通過控制提供基準的時間來到達移相得目的。在單片機中啟用一個定時器，以定時器延時起動進入中斷的方法達到移相得目的。如果波速傾斜掃描頻率為100 Hz，對應于PIN二極管順序導通一圈為360o，360o對應于10 ms。可以計算定時器第一次延時啟動的時間，把這個時間換算成定時器第一次啟動的延遲常數，這個實現起來比較簡單，具體方法如下；

使用的單片機的時鐘頻率為22 118 400，定時2.5 ms的時間常數為22 118 400121004;單片機的一個中斷對應90°，所以移相一度對應的定時器常數為4 60890=51.2；以定時器2為例。

定時器初始化的函數

void Timer2_Init(void)

{

SFRPAGE_SAVE=SFRPAGE;

SFRPAGE=TMR2_PAGE;

TMR2CN=0x00;

RCAP2H=0xff &((-THETA)>>8);

RCAP2L=0xff &(-THETA);

TMR2H=RCAP2H;

TMR2L=RCAP2L；

SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE;

}

其中，THETA為要移的相位與51.2的乘積。

給接收機送基準是在定時器中斷里實現的。

void TIMER2_INT(void)interrupt 5 using 1

{

SFRPAGE_SAVE=SFRPAGE;

SFRPAGE=TMR2_PAGE;

TF2=0;

if(gc_tmr2run ==0)∥第一次進中斷

{

RCAP2H=0xff &((-TC_3MS)>>8);

RCAP2L=0xff &(-TC_3MS);

TMR2H=RCAP2H;

TMR2L=RCAP2L;

gc_tmr2run=1;

}

{

flag2++;

if((flag2 ==1)||(flag2 ==2))COS=1;

elseCOS=0;

if((flag2 ==2)||(flag2 ==3))SIN=1;

elseSIN=0;

if(flag2 ==4)flag2=0;

}

SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE;

}

其中,SIN為方位基準信號，COS為俯仰基準信號，這2個信號是送給接收機的。可以通過改變定時器第一次進入中斷的時間常數達到移相得目的。通過移相值把接收機輸出的誤差電壓[12]交叉耦合調整到最小，這樣天線在跟蹤目標時，運動比較平穩，也不會丟失目標。

5結束語

本文在波束傾斜跟蹤系統中通過移相的方法調節接收機方位誤差電壓、俯仰誤差電壓的耦合，可以把交叉耦合調整到一定的范圍內。其交叉偶合越小，跟蹤天線運動越平穩，跟蹤精度越高。該方法簡單，易于用程序實現，并且這種方法在某C頻段跟蹤天線系統中成功運用，取得了良好的效果，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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A New Method of Debugging Cross Coupling in Beam Deviation Tracking System

WANG Xi-ming

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：In beam deviation tracking system,there is cross coupling between azimuth and elevation error voltages demodulated from receiver.The higher cross coupling may be disadvantageous to antenna tracking,result in damage of structural parts,and shorten the service life of equipment.This paper proposes a method of reducing cross coupling with phase shift.The electronic beam deviation theory and implement method are introduced in brief,and the sequence chart of electronic beam deviation and reference are given.Finally the program of implementing the method is presented in single chip timer.The method is used in some C-band antenna,and the perfect result is obtained.

Key words：satellite communication;beam deviation;receiver;phase;cross coupling;tracking

中圖分類號：TN82

文獻標志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-79-3

作者簡介：王喜明(1978—)，男，工程師，主要研究方向：天線伺服控制系統研究與設計。

收稿日期：2016-01-20

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.21

引用格式：王喜明.一種在波束傾斜跟蹤系統中調試耦合的新方法[J].無線電通信技術,2016,42(3):79-81.